Введение к работе
В диссертации изложены результаты разработок и исследований, выполненных соискателем в Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (ЛЯП ОИЯИ) в период с 2004 по 2012 год в рамках проблемно-тематических планов научно-исследовательских работ ОИЯИ (№ 03-2-1102-2010/2012 "Совершенствование Фазотрона ЛЯП (ОИЯИ) и разработка циклотронов для физических и прикладных исследований") и протоколов о международном сотрудничестве, осуществляющемся между ОИЯИ и Институтом ядерной физики Польской академии наук (ИЯФ ПАН) (№ 3970-2-10/12 "Протокол о выполнении совместной научно-исследовательской работы"). Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 10-01-00467-а.
Актуальность. В настоящее время одним из главных направлений в области развития ускорительной техники является разработка, производство и эксплуатация универсальных изохронных циклотронов. Они находят применение как в области научных исследований (производство радиоизотопов для исследований в области ядерной спектроскопии, электроядерная энергетика), так и в области медицины (производство радиоизотопов для различных видов томографии, протонная терапия раковых опухолей): DC-60 , AIC-144 , VENTCY . Циклотроны данного вида являются многоцелевыми и могут использоваться для ускорения частиц с различным отношением числа стандартных единиц атомной массы к числу элементарных зарядов (A/Z). Энергия вывода в таких машинах может плавно варьироваться для каждого типа ускоряемых частиц.
Диссертационная работа посвящена созданию и применению на практике новой методики математического моделирования режимов работы многоцелевого изохронного циклотрона АИЦ-144, расположенного в ИЯФ ПАН и
2 .
предназначенного как для проведения протонной терапии меланомы глаза у пациентов (при работе в основном режиме), так и для производства радиоизотопов, используемых в научных исследованиях в области ядерной спектроскопии. АИЦ-144 был разработан группой сотрудников ИЯФ ПАН под руководством д-ра Е.Схвабэ4. Система вывода АИЦ-144 была разработана группой сотрудников ОИЯИ при участии сотрудников ИЯФ ПАН . Рассматриваемая методика позволяет моделировать новые режимы работы АИЦ-144 и переходить на работу с ними без остановки и разборки циклотрона для проведения дополнительных магнитных измерений. Новая методика содержит в себе набор алгоритмически связанных методов для расчета токов в главной катушке, двадцати концентрических катушках, в двух парах гармонических катушек, а также для численного контроля точности расчета изохронного магнитного поля, рассчитываемого по аналитическим формулам М.М.Гордона (Прил., п.1). Общий алгоритм моделирования новых режимов работы АИЦ-144 включает в себя расчет токов во всех катушках циклотрона [К6]^-[К13], численный контроль точности расчета изохронного магнитного поля [К 14], аналитический расчет фазового движения и частот свободных колебаний [КЗ] ускоряемых ионов. В общий алгоритм входят рабочие алгоритмы, позволяющие по наибольшему значению тока выведенного пучка проводить: Улучшение фазового движения ускоряемых частиц, которое проводится за счет регулировки амплитуды центрального бампа результирующего магнитного поля циклотрона (от токов в главной катушке и в двадцати концентрических катушках) [К13].
Е.Схвабэ и др. Магнитная система автоматического изохронного циклотрона AIC-144. // Proceedings of the International Seminar on Isochronous Cyclotron Technique. Institute of Nuclear Physics, Krakow, 13th-18th November, 1978. Pp. 237-256. Krakow, 1978.
5 Nikolaj A. Morozov and others. A new extraction system for the upgraded AIC-144
cyclotron. //NUKLEONIKA, 2001. International Journal of Nuclear Research, V.46 (2). Pp.
51-57.
6 M.M.Gordon. Calculation of Isochronous Fields for Sector-Focused Cyclotrons II Particle
Accelerators, 1983. Vol. 13. Pp. 67-84.
7 T.Stammbach. Cyclotrons. II Joint Universities Accelerator School. Archamps-France. 1997.
Оптимизацию параметров магнитной системы циклотрона (регулировку амплитуды и фазы первой гармоники рабочего магнитного поля ускорителя (от токов в главной катушке, в двадцати концентрических катушках и в двух парах гармонических катушек), проводимую на радиусе заброса пучка ускоренных ионов в электростатический дефлектор) [К 13].
Режим работы АИЦ-144 представляет собой набор следующих параметров: тип ускоряемых частиц, значение напряжения на дуантах, значение частоты ВЧ-генератора и значения токов во всех катушках, формирующих рабочее магнитное поле циклотрона. Режим работы должен обеспечивать как успешное ускорение пучка заряженных частиц с заданными параметрами во всем диапазоне рабочих радиусов от источника ионов до системы вывода, так и вывод пучка ускоренных ионов из ускорителя.
В традиционном представлении переход на новый режим работы АИЦ-144 связан с необходимостью проведения дополнительных магнитных измерений, при которых циклотрон останавливают и разбирают с целью установки внутри вакуумной камеры измерительного оборудования. При этом измеряются карты основного магнитного поля (от тока в главной катушке) и карты дополнительных магнитных полей (от тока в главной катушке и максимального тока в каждой отдельно взятой концентрической катушке; от тока в главной катушке и максимального тока в каждой отдельно взятой паре гармонических катушек). Общее время перехода на новый режим работы АИЦ-144 занимает как минимум один месяц. Сюда входит время на разборку ускорителя, установку измерительного оборудования, измерение карт исходных магнитных полей, магнитные измерения в центре циклотрона, численные и аналитические расчеты, проведение ряда расчетно-экспериментальных итераций, включающих в себя поочередное измерение карт результирующего магнитного поля и пересчет устанавливаемого режима работы. Сюда также входит время на сборку, запуск и наладку работы ускорителя в новом режиме.
Намного более удобным представляется подход, когда новый режим работы моделируется без остановки и разборки циклотрона для проведения
дополнительных магнитных измерений. Моделирование в этом случае осуществляется на основе уже имеющихся измеренных и пересчитанных карт исходных магнитных полей. Такой подход требует разработки и развития, как ряда новых математических моделей, так и ряда программных и рабочих алгоритмов. При использовании нового подхода, время перехода на моделируемый режим работы значительно сокращается. Например, переход на основной режим работы АИЦ-144, осуществленный в июне 2009 года, занял всего шесть часов. Сюда вошло время на аналитические и численные расчеты, измерение тока внутреннего и внешнего пучка ускоренных ионов, а также время на улучшение фазового движения ускоряемых частиц. Еще два часа ушло на оптимизацию параметров магнитной системы циклотрона, проведенную на ускорителе в апреле 2011 года.
В связи с постоянным расширением круга задач, решаемых на многоцелевом изохронном циклотроне АИЦ-144, (увеличение кинетической энергии вывода, коэффициента вывода пучка ускоренных ионов и т.п.), а также в связи с изменением условий ускорения заряженных частиц (увеличение напряжения на дуантах, уход и восстановление параметров магнитной системы циклотрона и т.п.), регулярно возникает задача перехода на новые режимы работы циклотрона (задача формирования новых рабочих магнитных полей). Поскольку магнитные измерения на АИЦ-144 проводятся, в среднем, раз в шесть лет, а необходимость перехода на новые режимы работы возникает не реже чем раз в два года, задача разработки методов и алгоритмов математического моделирования, создания на их основе проблемно-ориентированных комплексов программ, использования созданного программного обеспечения для компьютерного моделирования новых режимов, оперативного перехода на работу с ними без остановки и разборки циклотрона для проведения дополнительных магнитных измерений является экономически целесообразной и актуальной.
Цель диссертационной работы заключается:
-
В разработке новой методики математического моделирования режимов работы многоцелевого изохронного циклотрона АИЦ-144, позволяющей переходить на работу в моделируемых режимах без остановки и разборки ускорителя для проведения дополнительных магнитных измерений.
-
В создании на языке программирования C++ в среде MS Visual Studio .NET комплекса программ Cyclotron Operator HELP Program Complex 2004-2012 и динамически связанной библиотеки GaussDLL, реализующих разработанные математические модели и алгоритмы.
-
В практическом применении разработанного программного обеспечения при компьютерном моделировании новых режимов работы АИЦ-144 (В том числе основного режима работы циклотрона: протоны, кинетическая энергия вывода Ек-60/60,4/60,5МэВ, частота ВЧ-генератора Frf =26,155/26,25/26,26МГц).
-
В физическом запуске АИЦ-144 в основном режиме его работы и в практическом использовании пучка выведенных протонов для адронной терапии меланомы глаза у первой партии пациентов.
Научная новизна
-
Разработана новая методика математического моделирования режимов работы многоцелевого изохронного циклотрона АИЦ-144, позволяющая переходить на работу в моделируемых режимах без остановки и разборки ускорителя для проведения дополнительных магнитных измерений [К1]^-[К14].
-
Впервые созданы математическая модель и алгоритм, которые позволяют проводить расчет тока в главной катушке АИЦ-144 на основе карт исходных магнитных полей, измеренных для трех уровней тока в катушке возбуждения главного магнита [К9].
-
Разработан новый метод расчета токов в двадцати концентрических катушках для рассчитанного уровня тока в главной катушке АИЦ-144, основанный на минимизации квадратичного функционала, в состав которого введена штрафная функция. Данная функция предназначена для направленного покомпонентного
ввода вектора решения (вектора нормированных значений оптимизированных токов в концентрических катушках) в границы области допустимых значений. Ввод найденного вектора решения в рамки заданных граничных значений осуществляется в направлении, определяемом в соответствии с расположением зон влияния концентрических катушек на основное магнитное поле АИЦ-144 (от центра к краю циклотрона) [К6]-^[К10].
-
Впервые созданы математическая модель и алгоритм, которые позволяют проводить расчет токов в двух парах гармонических катушек для рассчитанного уровня тока в главной катушке АИЦ-144. Расчет проводится путем решения неоднородной системы нелинейных алгебраических уравнений, решаемой итерационным способом [К11]^-[К13].
-
Усовершенствован метод контроля точности расчета изохронного магнитного поля, рассчитываемого по аналитическим формулам М.М.Гордона. Показано, что для основного режима работы АИЦ-144 значение модуля относительной ошибки частоты обращения протонов во всем диапазоне изохронизации формируемого магнитного поля составляет | aF0 \<2,5Е—4, что сопоставимо по своей величине со значением модуля относительной погрешности измерения карт исходных магнитных полей, измеряемых с помощью датчика Холла, | ams \~1+2Е-4 [К 14].
Практическая значимость
1. На языке программирования C++ в среде MS Visual Studio .NET в стандартах DBA (Dialog-based Application) и SDI (Single Document Interface) создано программное обеспечение, реализующее разработанные математические модели и алгоритмы:
Комплекс программ Cyclotron Operator HELP Program Complex 2004-2012, установленный на сервере АИЦ-144 и используемый для моделирования новых режимов работы циклотрона.
Динамически связанная библиотека GaussDLL, включающая в свой состав комплекс программ матрично-векторных операций и решения СЛАУ с
вещественными коэффициентами, размещенная на сайте ОИЯИ в библиотеке готовых программ JINRLIB [К 15].
2. С помощью комплекса программ Cyclotron Operator HELP Program Complex
2009 для АИЦ-144 было выполнено компьютерное моделирование основного
режима его работы, предназначенного для ускорения пучка протонов с
необходимыми для протонной терапии меланомы глаза параметрами:
кинетической энергией вывода Ек ~60 МэВ, значением и стабильностью тока
выведенного пучка ІЬеащехі>20 нА, о!Ьеащех1~±5 % соответственно [К7]^-[К10].
3. Смоделированный с помощью созданного программного обеспечения
основной режим работы АИЦ-144 был установлен на циклотроне в июне 2009
года без эмпирической подстройки токов в концентрических катушках и частоты
ВЧ-генератора. Благодаря эффективной работе сотрудников Циклотронного
отдела ИЯФ ПАН и высокой стабильности установленного режима работы,
подразделение протонной терапии ИЯФ ПАН впервые на протяжении ряда лет
получило возможность бесперебойной работы и использования пучка
выведенных протонов:
Для настройки медицинских приборов и аппаратуры, которая проводилась в течение около двух лет с момента установки смоделированного режима работы на АИЦ-144.
Для проведения успешной протонной терапии меланомы глаза у первой партии пациентов, впервые проведенной в Польше на АИЦ-144 в период с февраля по апрель 2011 года [К12]^-[К14].
4. С помощью комплекса программ Cyclotron Operator HELP Program Complex
2011 для основного режима работы АИЦ-144 в апреле 2011 года была проведена
оптимизация параметров магнитной системы циклотрона [К13]. Выведенный
пучок ускоренных протонов был успешно использован в ИЯФ ПАН для
производства радиоизотопов, нарабатываемых с целью проведения научных
исследований в области ядерной спектроскопии.
Практическая значимость разработанных методов и комплексов программ документально подтверждена: отчетами о проведенных на АИЦ-144 в период с 2004 по 2011 год физических экспериментах, подписанными начальником ЦО ИЯФ ПАН (Прил. п.2); письмом от дирекции ИЯФ ПАН к дирекции ЛИТ ОИЯИ BD/47/2011 от 27 апреля 2011 года об успешных результатах лечения раковой опухоли глаза у первых девяти пациентов (Прил. п.З). Новая методика и разработанное программное обеспечение, используемые в настоящее время для моделирования режимов работы АИЦ-144, могут найти широкое практическое применение в процессе эксплуатации аналогичных ускорителей, расположенных в различных российских и зарубежных научно-экспериментальных центрах. Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации представлены и доложены на следующих российских и международных конференциях:
VI Международный семинар по проблемам ускорителей заряженных частиц памяти В.П.Саранцева, 8-10 сентября, 2005. Алушта, Украина.
XXI Russian Particle Accelerator Conference 2008 (RuPAC 2008), September 28 -October 3, 2008. Zvenigorod, Russia.
The International Conference Mathematical Modeling and Computational Physics 2009 (MMCP 2009), July 7-11, 2009. Dubna, Russia.
Всероссийская конференция (с международным участием): Информационно-телекоммуникационные технологии и математическое моделирование высокотехнологичных систем. 18-22 апреля, 2011. Москва, Россия.
IX Международный семинар по проблемам ускорителей заряженных частиц памяти В.П.Саранцева 17-21 сентября, 2011. Алушта, Украина.
Результаты, включенные в диссертацию, докладывались на семинарах ИЯФ ПАН, Лаборатории информационных технологий и Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (ЛИТ ОИЯИ, ЛЯП ОИЯИ).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, из которых 7 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК (в одном зарубежном и трех российских) [К2], [К5], [Кб], [К8], [К9], [КІЗ], [К14], 3 статьи в научных сборниках [К10]-^[К12], 2 статьи в сообщениях ОИЯИ [КЗ], [К4] и 2 аннотации докладов в материалах конференций [Kl], [К7], а также в виде 1 распространяемого программного продукта [К 15].
Личный вклад автора. Разработка общего алгоритма моделирования новых режимов работы АИЦ-144, формулировка решенных в диссертации задач, создание математических моделей для расчета токов во всех катушках циклотрона, усовершенствование метода численного контроля точности расчета изохронного магнитного поля, разработка проблемно-ориентированных комплексов программ, проведение с их помощью компьютерного моделирования новых режимов работы и физическая интерпретация полученных численных результатов выполнены автором самостоятельно. Соискатель принимал непосредственное участие в проведении на АИЦ-144 научно-методических натурных экспериментов. Общая постановка задачи по созданию новой методики запуска АИЦ-144 в моделируемых режимах работы, анализ точности сделанных расчетов и достоверности полученных численных результатов, анализ результатов физических экспериментов проводились соискателем совместно с научными руководителями и соавторами.
Достоверность представленных в диссертации результатов моделирования новых режимов работы АИЦ-144 подтверждается:
Результатами тестирования разработанного программного обеспечения: комплекса программ Cyclotron Operator HELP Program Complex 2004-2012 и динамически связанной библиотеки GaussDLL.
Сопоставлением результатов компьютерного моделирования основного режима работы АИЦ-144, выполненного с помощью различных версий разработанного программного обеспечения.
Методическими результатами контроля точности расчета изохронного магнитного поля, полученными путем сопоставления аналитических и численных
оценок, выполненных на основе использования расчетной карты результирующего магнитного поля АИЦ-144.
Успешными результатами научно-методических натурных экспериментов, проведенных на АИЦ-144 в период с 2004 по 2011 год. (Отчеты, удостоверенные подписью начальника ЦО ИЯФ ПАН (Прил. п.2)).
Успешными результатами проведения протонной терапии меланомы глаза у первой партии пациентов, впервые проведенной в Польше на АИЦ-144 в период с февраля по апрель 2011 года. (Письмо от дирекции ИЯФ ПАН к дирекции ЛИТ ОИЯИ BD/47/2011 от 27 апреля 2011 года (Прил. п.З)).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения. Список работ, опубликованных по теме диссертации, содержит 15 наименований. Полный объем диссертации составляет 135 страниц машинописного текста, включая 8 таблиц и 47 рисунков.
Похожие диссертации на Математическое моделирование режимов работы многоцелевого изохронного циклотрона АИЦ-144
